Laser -interferentieverwerking van China Harsly

Laser- en materiaalaspecten

Zoals eerder vermeld, worden de interferentiepatronen verkregen uit de stralen die coherent zijn. Incoherente stralen zouden niet interfereren om donkere en heldere franjes te produceren (vanwege intensiteitsmodulatie in de resulterende golf). Zowel de tijdelijke als de ruimtelijke samenhang van de stralen moeten worden bewaard om het interferentiepatroon te realiseren. Ruimtelijke coherentie is gerelateerd aan de correlatie tussen twee punten op hetzelfde golffront, terwijl de tijdelijke coherentie gerelateerd is aan de correlatie van vergelijkbare punten op verschillende golf fronten. De ruimtelijke samenhang van stralen wordt sterk beïnvloed door de aanwezigheid van een aantal longitudinale modi in de laseruitgang (Engleman et al. 2005). Over het algemeen treedt verlies van coherentie op met het toenemende aantal longitudinale modi. Figuur 11.3 presenteert de invloed van een aantal longitudinale modi op de zichtbaarheid van de franjes in het interferometrische experiment. Zoals aangegeven in de figuur, neemt de zichtbaarheid van de franjes af met padverschil voor multimode -werking van laser. In multimode -bewerkingen is dus het toegestane padverschil beperkt (Ready 1997). Tijdelijke coherentie is gerelateerd aan de spectrale bandbreedte van de bron. Smaller banden resulteren in langere coherentietijd. Coherentietijd (? T) wordt uitgedrukt als de wederkerige van lijnbreedte. De coherentielengte (? X) wordt dan gegeven door het product van golfsnelheid (C) en de coherentietijd (? T). De coherentielengte wordt opnieuw beïnvloed door het aantal operationele modi. Typische coherentielengte van multimode HE - NE laser bevindt zich bijvoorbeeld in het bereik van 20 cm, terwijl de typische coherentielengte van enkele modus HE - NE -laser in het bereik van 100.000 cm ligt (Ready 1997).

Het type laserbron bepaalt het interferentiepatroon dat op het materiaaloppervlak wordt geproduceerd. De belangrijkste laserparameters zijn de lasergolflengte en de

Fig. 11.3 Variatie van franje zichtbaarheid met padverschil voor een laser die werkt met n longitudinale modi in een

interferometrischexperiment. (Herdrukt uit Ready 1997. Met toestemming. Copyright Elsevier.)

Fig. 11.4 Variatie van theoretische randafstand met hoek tussen de interfererende balken voor enkele gebruikelijke golflengten van de gebruikte lasers

in materiaalverwerking. (Herdrukt van Engleman et al. 2005. Met toestemming. Copyright The Minerals, Metals and Materials Society.)

Hoek tussen de interfererende balken. Deze parameters bepalen de randafstand volgens vergelijking. (11.2). Figuur 11.4 presenteert de theoretische variatie van randafstand met interferentiehoek voor enkele gemeenschappelijke golflengten die worden gebruikt bij de verwerking van lasermaterialen. De figuur geeft aan dat voor een gegeven golflengte van de laser, kortere randafstand wordt geproduceerd met de stralen die zich onder de grote hoek verstoren. De figuur geeft ook aan dat kortere golflengten (266, 355, 532 en 1.064 nm) franjeafstand produceren die evenredig kleiner is dan die geproduceerd door lasers van langere golflengte (10,6? M). De fysieke ondergrens van de randafstand volgens vergelijking. (11.2) is de helft van de golflengte van de laser. Randafstand heeft een grote invloed op de ruimtelijke resolutie van de kenmerken op het oppervlak van het materiaal door de combinatie van effecten zoals fysische, chemische en metallurgische effecten (Engleman et al. 2005). Naast de golflengte en de hoek tussen de interfererende stralen, is de andere belangrijke laserparameter de laserfluentie (energiedichtheid). Laserfluence wordt bepaald door het laservermogen, het bestraalde oppervlak en de bestralingstijd. Laserfluence samen met de thermofysische eigenschappen van materialen bepaalt de temperatuurverdeling in de materialen. De temperatuurverdelingen in de materialen tijdens laseroppervlakverwerking worden in het algemeen verkregen door de oplossing van Fourier's vergelijking van warmteoverdracht.

Waarbij t = t (x, z, t) de temperatuur op positie (x, z) is op tijdstip t; R, K en CP zijn de dichtheid, de thermische geleidbaarheid en de specifieke warmte van het materiaal respectievelijk;zijn de geabsorbeerde warmte, de warmte van smelten en de warmte vanVAPORISATIE respectievelijk. De hoeveelheid warmte die door het materiaal wordt geabsorbeerd, hangt af van de absorptie van het materiaal dat wordt bepaald door verschillende materiaal en oppervlakte -gerelateerde factoren zoals oppervlakteruwheid, oppervlakte -verontreiniging, kantelhoek, enz. De oplossing van de warmteoverdrachtsvergelijking geeft de temperatuurverdeling Als functie van laserparameters en materiaaleigenschappen. Voor een vereenvoudigd geval van onedimensionale geleiding zonder convectie- en stralingseffecten, kan de oplossing van de warmteoverdrachtsvergelijking worden hersteld om de energie te schatten die nodig is om een enkele rand van een bepaalde oppervlaktetuimte te produceren.

Het gebied van het oppervlak gemodificeerd door smelten, ablatie, enz., Bepaalt de kenmerkgrootte (d) die op het oppervlak kan worden gemaakt. Om het goed gedefinieerde onderscheidbare periodieke patroon te verkrijgen, moet de kenmerkgrootte gelijk zijn aan of kleiner zijn dan de randafstand (D). Naarmate de geleidbaarheid van het materiaal toeneemt, wordt de warmte snel verdwenen, waardoor het gebied wordt gemodificeerd door interferentiepatroon. Voor lage geleidbaarheidsmateriaal zijn de thermische effecten als gevolg van gemoduleerde intensiteit beperkt tot zeer smalle gebieden, wat resulteert in kenmerkgroottes die kleiner zijn dan de randafstand (Fig. 11.5). Naarmate de geleidbaarheid van het materiaal toeneemt, nadert de functiegrootte de randafstand. Figuur 11.5 geeft ook het effect aan van het verhogen van de interferentiehoek op de randafstand. Op basis van de warmteoverdrachtsanalyse besproken in paragraaf 11.2 biedt tabel 11.1 de berekende hoeveelheid energieën die nodig zijn om oppervlaktetekengroottes te produceren gelijk aan interferentierandafstanden voor een verscheidenheid aan materialen bestraald met enkele veel voorkomende laserbronnen. De tabel biedt dus de richtlijnen voor de selectie van geschikte laserverwerkingsparameters om de gewenste geometrische structuren in een bepaald materiaal te bereiken door bestraling met laserinterferentiepatroon (Engleman et al. 2005).

Interferometer ontwerpaspecten

Typische interferometerontwerpen bestaan over het algemeen uit een bundeluitbreiding van telescoop (BET), interferometer -optiek (bundelsplitters en een set spiegels) en focusoptica. BET bepaalt de grootte van de straal door de interferometer en bepaalt dus de energievluentie op het monsteroppervlak. Een laserstraal wordt vervolgens gedeeld door een bundelsplitser in meerdere balken die vervolgens op het monsteroppervlak worden gesuperponeerd

Fig. 11.5 Effect van de hoek tussen de stralen en de geleidbaarheid van het materiaal op de interferentieafstand (D) en de kenmerkgrootte (D)

verkregen op het oppervlak.(Herdrukt uit Englemanet al. 2005. Met toestemming. Copyright de mineralen,Metalen en materialen Society.)

Wsing een set spiegels. Het contrast tussen de heldere en donkere franjes in het interferentiepatroon wordt bepaald door de intensiteitsverdeling in de resulterende golf. Het optische padverschil tussen de interfererende golven wordt bepaald door het verschil in de lengte van de interferometerarmen. Het optische padverschil moet minder zijn dan de coherentielengte om de tijdelijke samenhang te behouden. Het optische padverschil bepaalt ook hoe goed gedefinieerd het patroon is. Als de ene arm van de interferometer korter is dan de andere, zal de straal van de kortere arm eerst aan het monsteroppervlak aankomen, waardoor de oppervlaktemodificaties aan het monsteroppervlak worden geïnitieerd. Voor een dergelijk geval zal de interactietijd tussen de stralen afnemen. Het interferometerontwerp moet voldoende flexibel zijn om de instelling van elke hoek tussen de interfererende balken met een kleine aanpassing van de incidentiehoek en de beweging van spiegels mogelijk te maken (Engleman et al. 2005). Zoals eerder beschreven, voor een gegeven golflengte van de laserstraal, wordt de afstand van de intensiteitsverdeling bepaald door de hoek tussen de interfererende stralen. Hoe kleiner de hoek tussen de interfererende stralen, hoe groter de afstand in het patroon. Aldus wordt de bovengrens van de afstand bepaald door de kleinste haalbare hoek met de interferometer -optiek. Voor grotere afstand kunnen speciale frameloze optische elementen worden ontworpen om de kleinere interferentiehoek mogelijk te maken (Daniel 2006). Ook kan een set focusserende optica worden opgenomen om de energievluentie aan het beeldoppervlak van het monster aan te passen.